一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法
一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，属于油藏数值模拟和最优控制领域，包括：（1)给定初始控制变量、边界约束以及经济参数；(2)设迭代步数k=0,进行数值模拟计算得到当前NPV值；(3)根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均值；(4)更新控制变量；(5)基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值；(6)判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则将迭代步长Ak减半，然后返回步骤（4);(7)判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k=k+l，然后返回步骤（3);(8)输出最优控制变量，并终止计算。
【专利说明】一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油藏数值模拟和最优控制领域，具体涉及一种基于改进随机扰动近似 算法的油藏生产实时优化方法。
【背景技术】
[0002] 进行油田开发生产注采政策的优化设计是油藏经营管理的重要任务。油藏数值模 拟技术能够方便再现油藏生产开发的全过程，并可对未来油田生产进行重复模拟计算，因 此，工程人员普遍利用该技术进行油藏注采调控方案的设计和优选。常规的解决方法多是 以整个油藏或井组为单元，通过模拟不同油水井、不同时间、不同注采量的多种开采方式， 根据计算结果优选出相对最优的生产方案。但这里的开采方式仅限于人为设定的有限的组 合，得到的调控方案并不是最优的，而且花费大量的人力与机时，难以满足油田实时调控的 生产要求。油藏开发生产实时优化是近年来新兴的一种开发方案预测方法，它是基于对当 前油藏地质和生产条件的认识，并从油藏长期开发效益出发，利用油藏数值模拟和最优控 制理论自动优化计算油水井不同阶段的注采参数（如井底流压、油水井流量等），确定最优 的生产开发方案，使油藏开发尽可能处于最佳状态，从而节约生产成本，改善开发效果。
[0003] 油藏生产优化属于系统分布参数最优控制问题，涉及到的变量比较多，维数大，实 现求解十分困难。当前研究者主要是采用传统的伴随梯度法进行油藏生产优化的计算，但 该方法需要通过编写伴随矩阵嵌入油藏数值模拟计算来获取梯度，求解过程异常复杂，每 次梯度计算必须是在油藏模拟全隐士条件下进行正向和反向两次计算，降低了模拟器的计 算效率，目前仅限于对一些概念油藏模型进行理论研究和应用，无法应用于实际油藏开发 生产优化问题的求解，满足现场应用要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对伴随梯度法求解油藏生 产优化过于复杂、难以实际应用的局限性，提供一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生 产实时优化方法，实现油藏生产优化快速求解为核心，研究更为简单、有效的数值计算方法 和通用油藏数值模拟器相结合用于进行实际油藏生产优化的计算，实时便捷的为油田开发 生产提供最优调控方案，为油藏工程人员提供决策依据，高效率的管理油藏开发状况。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，包括：
[0007] (1)给定初始控制变量、边界约束以及经济参数；
[0008] (2)设迭代步数k = 0,进行数值模拟计算得到当前NPV值；
[0009] (3)根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均 值；
[0010] (4)更新控制变量；
[0011] (5)基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值；
[0012] (6)判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则 将迭代步长xk减半，然后返回步骤（4);
[0013] (7)判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k二k+1,然后 返回步骤（3);
[0014] (8)输出最优控制变量，并终止计算。
[0015] 所述步骤（1)中的初始控制变量是由各井在给定调控步内的工作制度构成的向 量，所述工作制度包括井底流压、日注水量、日产液量等参数；
[0016] 控制变量的上下边界约束是单井的生产界限，对于流量控制，其下边界设为0,即 关井，上边界为最大注采能力；
[0017] 井底流压的下边界设为高于泡点压力或者设定一个数值来抑制底水的锥进，上边 界设为低于地层的破裂压力；
[0018] 所述经济参数是根据实际油田生产期内的经济评价参数，包括产油、产水、原油销 售价格、注水成本价格、产出水处理价格和年利率。
[0019] 所述步骤（2)是这样实现的：
[0020] 基于步骤⑴所给定的数据利用下面的公式计算获得当前NPV初值J(u。）；
【权利要求】
1. 一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特征在于：所述方法 包括： (1) 给定初始控制变量、边界约束以及经济参数； (2) 设迭代步数k = 0,进行数值模拟计算得到当前NPV值； (3) 根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均值； (4) 更新控制变量； (5) 基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值； (6) 判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则将迭 代步长λ k减半，然后返回步骤⑷； (7) 判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k = k+Ι，然后返回 步骤（3); (8) 输出最优控制变量，并终止计算。
2. 根据权利要求1所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其 特征在于：所述步骤（1)中的初始控制变量是由各井在给定调控步内的工作制度构成的向 量，所述工作制度包括井底流压、日注水量、日产液量； 控制变量的上下边界约束是单井的生产界限，对于流量控制，其下边界设为0,即关井， 上边界为最大产液能力； 井底流压的下边界设为高于泡点压力或者设定一个数值来抑制底水的锥进，上边界设 为低于地层的破裂压力； 所述经济参数是根据实际油田生产期内的经济评价参数，包括产油、产水、原油销售价 格、注水成本价格、产出水处理价格和年利率。
3. 根据权利要求2所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（2)是这样实现的： 基于步骤（1)所给定的数据利用下面的公式计算获得当前NPV初值J(u。）； Max·
(l) s. t. F(u, y) = 〇 (1_D ulow ^ u ^ uup (1-2) 性能指标J中：y为状态变量；u为控制变量；L为控制时间；Nw为生产井数；NWI为注水 井数；分别为产油、产水及注水速度；r〇、rw、L、b为经济计算要素，分别 为产油、产水、注水价格及年利率。
4. 根据权利要求3所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（3)是这样实现的： 根据球形模型计算公式，以每口井为中心计算控制变量协方差阵C;然后，利用 Cholesky方法对协方差阵C进行分解得到C1/2 ; 然后，采用计算机随机数生成器生成正态分布随机向量Zk,并计算C1/2zk得到高斯型随 机扰动向量，代入公式（4)计算对应的随机扰动梯度良并利用公式（10)求取平均梯 度&所述zk为标准正态分布向量； 所述球形模型计算公式如下：
球形模型计算公式中的关联长度a取为调控步数的一半，i、j是分别指第i和第j个 控制时间步，σ为实际初始控制变量的扰动误差。 公式⑷如下：
.⑷ 公式（10)如下：
(1〇1。
5. 根据权利要求4所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（4)是这样实现的： 将所述平均梯度代入式（9)中计算得到新的控制变量uk+1:
(i) 式中：λ k为第k步的迭代步长；u · 11 ~表示为无穷范数。
6. 根据权利要求5所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（5)是这样实现的： 基于所述uk+1由式⑴得到更新后NPVJ(uk+1)。
7. 根据权利要求6所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于所述步骤（7)中的收敛条件由下式表达 J(uk+1)-J(ukl) |/J(ukl) ^ 1.0X10'4o
【文档编号】G05B19/418GK104216341SQ201310213776
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】康志江, 赵辉, 张允 , 崔书岳, 邱立伟, 吕铁 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院
【专利摘要】本发明提供了一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，属于油藏数值模拟和最优控制领域，包括：（1)给定初始控制变量、边界约束以及经济参数；(2)设迭代步数k=0,进行数值模拟计算得到当前NPV值；(3)根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均值；(4)更新控制变量；(5)基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值；(6)判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则将迭代步长Ak减半，然后返回步骤（4);(7)判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k=k+l，然后返回步骤（3);(8)输出最优控制变量，并终止计算。
【专利说明】一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油藏数值模拟和最优控制领域，具体涉及一种基于改进随机扰动近似 算法的油藏生产实时优化方法。
【背景技术】
[0002] 进行油田开发生产注采政策的优化设计是油藏经营管理的重要任务。油藏数值模 拟技术能够方便再现油藏生产开发的全过程，并可对未来油田生产进行重复模拟计算，因 此，工程人员普遍利用该技术进行油藏注采调控方案的设计和优选。常规的解决方法多是 以整个油藏或井组为单元，通过模拟不同油水井、不同时间、不同注采量的多种开采方式， 根据计算结果优选出相对最优的生产方案。但这里的开采方式仅限于人为设定的有限的组 合，得到的调控方案并不是最优的，而且花费大量的人力与机时，难以满足油田实时调控的 生产要求。油藏开发生产实时优化是近年来新兴的一种开发方案预测方法，它是基于对当 前油藏地质和生产条件的认识，并从油藏长期开发效益出发，利用油藏数值模拟和最优控 制理论自动优化计算油水井不同阶段的注采参数（如井底流压、油水井流量等），确定最优 的生产开发方案，使油藏开发尽可能处于最佳状态，从而节约生产成本，改善开发效果。
[0003] 油藏生产优化属于系统分布参数最优控制问题，涉及到的变量比较多，维数大，实 现求解十分困难。当前研究者主要是采用传统的伴随梯度法进行油藏生产优化的计算，但 该方法需要通过编写伴随矩阵嵌入油藏数值模拟计算来获取梯度，求解过程异常复杂，每 次梯度计算必须是在油藏模拟全隐士条件下进行正向和反向两次计算，降低了模拟器的计 算效率，目前仅限于对一些概念油藏模型进行理论研究和应用，无法应用于实际油藏开发 生产优化问题的求解，满足现场应用要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对伴随梯度法求解油藏生 产优化过于复杂、难以实际应用的局限性，提供一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生 产实时优化方法，实现油藏生产优化快速求解为核心，研究更为简单、有效的数值计算方法 和通用油藏数值模拟器相结合用于进行实际油藏生产优化的计算，实时便捷的为油田开发 生产提供最优调控方案，为油藏工程人员提供决策依据，高效率的管理油藏开发状况。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，包括：
[0007] (1)给定初始控制变量、边界约束以及经济参数；
[0008] (2)设迭代步数k = 0,进行数值模拟计算得到当前NPV值；
[0009] (3)根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均 值；
[0010] (4)更新控制变量；
[0011] (5)基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值；
[0012] (6)判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则 将迭代步长xk减半，然后返回步骤（4);
[0013] (7)判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k二k+1,然后 返回步骤（3);
[0014] (8)输出最优控制变量，并终止计算。
[0015] 所述步骤（1)中的初始控制变量是由各井在给定调控步内的工作制度构成的向 量，所述工作制度包括井底流压、日注水量、日产液量等参数；
[0016] 控制变量的上下边界约束是单井的生产界限，对于流量控制，其下边界设为0,即 关井，上边界为最大注采能力；
[0017] 井底流压的下边界设为高于泡点压力或者设定一个数值来抑制底水的锥进，上边 界设为低于地层的破裂压力；
[0018] 所述经济参数是根据实际油田生产期内的经济评价参数，包括产油、产水、原油销 售价格、注水成本价格、产出水处理价格和年利率。
[0019] 所述步骤（2)是这样实现的：
[0020] 基于步骤⑴所给定的数据利用下面的公式计算获得当前NPV初值J(u。）；
【权利要求】
1. 一种基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特征在于：所述方法 包括： (1) 给定初始控制变量、边界约束以及经济参数； (2) 设迭代步数k = 0,进行数值模拟计算得到当前NPV值； (3) 根据球形模型协方差阵生成高斯型扰动向量，并计算随机扰动梯度及其平均值； (4) 更新控制变量； (5) 基于更新后的控制变量进行油藏模拟计算得到更新后NPV值； (6) 判断更新后NPV值是否比当前NPV值大，如果是，则转入步骤（7)，如果否，则将迭 代步长λ k减半，然后返回步骤⑷； (7) 判断是否满足收敛条件，如果是，则转入步骤（8)，如果否，则令k = k+Ι，然后返回 步骤（3); (8) 输出最优控制变量，并终止计算。
2. 根据权利要求1所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其 特征在于：所述步骤（1)中的初始控制变量是由各井在给定调控步内的工作制度构成的向 量，所述工作制度包括井底流压、日注水量、日产液量； 控制变量的上下边界约束是单井的生产界限，对于流量控制，其下边界设为0,即关井， 上边界为最大产液能力； 井底流压的下边界设为高于泡点压力或者设定一个数值来抑制底水的锥进，上边界设 为低于地层的破裂压力； 所述经济参数是根据实际油田生产期内的经济评价参数，包括产油、产水、原油销售价 格、注水成本价格、产出水处理价格和年利率。
3. 根据权利要求2所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（2)是这样实现的： 基于步骤（1)所给定的数据利用下面的公式计算获得当前NPV初值J(u。）； Max·
(l) s. t. F(u, y) = 〇 (1_D ulow ^ u ^ uup (1-2) 性能指标J中：y为状态变量；u为控制变量；L为控制时间；Nw为生产井数；NWI为注水 井数；分别为产油、产水及注水速度；r〇、rw、L、b为经济计算要素，分别 为产油、产水、注水价格及年利率。
4. 根据权利要求3所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（3)是这样实现的： 根据球形模型计算公式，以每口井为中心计算控制变量协方差阵C;然后，利用 Cholesky方法对协方差阵C进行分解得到C1/2 ; 然后，采用计算机随机数生成器生成正态分布随机向量Zk,并计算C1/2zk得到高斯型随 机扰动向量，代入公式（4)计算对应的随机扰动梯度良并利用公式（10)求取平均梯 度&所述zk为标准正态分布向量； 所述球形模型计算公式如下：
球形模型计算公式中的关联长度a取为调控步数的一半，i、j是分别指第i和第j个 控制时间步，σ为实际初始控制变量的扰动误差。 公式⑷如下：
.⑷ 公式（10)如下：
(1〇1。
5. 根据权利要求4所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（4)是这样实现的： 将所述平均梯度代入式（9)中计算得到新的控制变量uk+1:
(i) 式中：λ k为第k步的迭代步长；u · 11 ~表示为无穷范数。
6. 根据权利要求5所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于：所述步骤（5)是这样实现的： 基于所述uk+1由式⑴得到更新后NPVJ(uk+1)。
7. 根据权利要求6所述的基于改进随机扰动近似算法的油藏生产实时优化方法，其特 征在于所述步骤（7)中的收敛条件由下式表达 J(uk+1)-J(ukl) |/J(ukl) ^ 1.0X10'4o
【文档编号】G05B19/418GK104216341SQ201310213776
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】康志江, 赵辉, 张允 , 崔书岳, 邱立伟, 吕铁 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院
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